Characterisation of prostate cancer sialome re-engineering via CMAH transfection reveals a bystander effect that propagates Neu5Gc presentation to neighbouring cells

प्रत्येक मानव कोशिका की सतह पर एक मोटी, शर्करा युक्त परत होती है, जो एक आणविक आवरण के रूप में कार्य करती है जो एक ढाल और एक पहचान पत्र (ID कार्ड) दोनों का काम करती है। यह कोटिंग, जिसे ग्लाइकोकैलिक्स (glycocalyx) कहा जाता है, प्रोटीन और वसा से जुड़ी शर्करा के लंबे जंजीरों से बनी होती है। इन शर्कराओं में से, सियालिक एसिड (sialic acids) नामक एक विशिष्ट परिवार कोशिकाओं के अपने परिवेश, विशेष रूप से प्रतिरक्षा प्रणाली के साथ संचार करने के तरीके में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। स्वस्थ मनुष्यों में, शरीर एक मुख्य प्रकार का सियालिक एसिड बनाता है, लेकिन इसने अधिकांश अन्य स्तनधारियों में पाए जाने वाले दूसरे, थोड़े अलग संस्करण को बनाने की क्षमता खो दी है। यह लुप्त संस्करण केवल एक ऑक्सीजन परमाणु द्वारा रासायनिक रूप से भिन्न है, फिर भी यह सूक्ष्म अंतर इस बात को बदल देता है कि प्रतिरक्षा प्रणाली कोशिका को कैसे पहचानती है। चूंकि मानव शरीर स्वाभाविक रूप से इस दूसरी शर्करा को नहीं बना सकता, इसलिए कोशिका पर इसकी उपस्थिति आमतौर पर यह संकेत देती है कि कोशिका ने इसे आहार से खाया है या, कुछ कैंसर के मामले में, इसने किसी तरह एक प्राचीन आनुवंशिक मार्ग को पुन: सक्रिय कर दिया है जिससे इसका उत्पादन होता है। कैंसर कोशिकाओं पर ये शर्कराएँ कैसे बदलती हैं, इसे समझना अत्यंत महत्वपूर्ण है, क्योंकि वे एक छलावरण (disguise) के रूप में कार्य कर सकती हैं, जिससे ट्यूमर शरीर की रक्षा प्रणालियों से छिपने में सक्षम होता है।

यॉर्क विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने प्रोस्टेट कैंसर कोशिकाओं को एक मॉडल के रूप में उपयोग करते हुए इस घटना की जांच करने के लिए हाथ बढ़ाया। वे यह देखना चाहते थे कि क्या होगा यदि वे इन कैंसर कोशिकाओं को इस लुप्त शर्करा का उत्पादन करने के लिए मजबूर करें, जो प्रभावी रूप से उनके सतही रसायन विज्ञान को पुन: इंजीनियर करना है। वैज्ञानिकों ने चूहों से एक जीन पेश किया, जो स्वाभाविक रूप से इस विशिष्ट शर्करा को बनाने के लिए आवश्यक एंजाइम का उत्पादन करता है, उन मानव प्रोस्टेट कैंसर कोशिकाओं में जो सामान्यतः इसे नहीं बना सकतीं। ऐसा करके, उन्होंने एक प्रयोगशाला मॉडल बनाया जहाँ कैंसर कोशिकाएं अपनी बाहरी सतह पर इस विदेशी शर्करा को प्रदर्शित करने लगीं। शोधकर्ताओं ने इन संशोधित कोशिकाओं का महीनों तक अवलोकन किया, यह ट्रैक करते हुए कि शर्करा कैसे प्रकट हुई, यह किस प्रकार की आणविक जंजीरों से जुड़ी, और यह सतह पर कितने समय तक रही। उन्होंने पाया कि शर्करा केवल उन्हीं कोशिकाओं पर नहीं रही जिन्होंने इसे बनाया था; यह उन पड़ोसी कोशिकाओं पर भी दिखाई दी जो बिल्कुल भी संशोधित नहीं की गई थीं। यह खोज बताती है कि एक तंत्र (mechanism) है जहाँ कुछ परिवर्तित कोशिकाएं इस नए रासायनिक हस्ताक्षर को अपने पड़ोसियों में फैला सकती हैं, जिससे बिना हर एक कोशिका के अपने डीएनए को बदले पूरे ट्यूमर के वातावरण को बदला जा सकता है।

अध्ययन की शुरुआत एक सावधानीपूर्वक चुने गए आनुवंशिक उपकरण के साथ हुई। शोधकर्ताओं ने चूहे और जेब्राफिश सहित विभिन्न जानवरों के एंजाइम के डीएनए अनुक्रमों की तुलना की ताकि उनके प्रयोग के लिए सबसे उपयुक्त उम्मीदवार मिल सके। उन्होंने कंप्यूटर मॉडलिंग का उपयोग करके इन एंजाइमों के त्रि-आयामी आकार की भविष्यवाणी की, जिससे पुष्टि हुई कि उनके आनुवंशिक कोड में छोटे अंतरों के बावजूद, चूहे और जेब्राफिश के संस्करण लगभग समान संरचनाओं में मुड़े हुए थे, जिसमें शर्करा के अग्रदूत (precursor) को थामने के लिए एक केंद्रीय पॉकेट (pocket) थी। जब उन्होंने चूहे के जीन के संस्करण को प्रोस्टेट कैंसर कोशिकाओं में डाला, तो कोशिकाओं ने सफलतापूर्वक इस लुप्त शर्करा का उत्पादन करना शुरू कर दिया। यह सुनिश्चित करने के लिए कि उनके द्वारा पता लगाया गया शर्करा कोशिकाओं की अपनी नई मशीनरी से आया है न कि प्रयोगशाला में कोशिकाओं को खिलाने के लिए उपयोग किए जाने वाले पशु सीरम से, शोधकर्ताओं ने कोशिकाओं को केवल मानव सीरम युक्त आहार पर स्थानांतरित कर दिया, जिसमें यह विशिष्ट शर्करा नहीं होती है।

एक बार जब कोशिकाएं शर्करा का उत्पादन करने लगीं, तो टीम को यह सत्यापित करने की आवश्यकता थी कि यह वास्तव में कोशिका की सतह पर कहाँ स्थित है। उन्होंने कोशिकाओं को एक व्यापक-स्पेक्ट्रम एंजाइम से उपचारित किया जो आणविक कैंची की तरह कार्य करता है और शर्करा की जंजीरों के सिरों को काट देता है। इस उपचार ने संकेत को हटा दिया, जिससे सिद्ध हुआ कि शर्करा वास्तव में कोशिका के बिल्कुल बाहरी हिस्से पर थी, जो पर्यावरण के संपर्क में थी। शोधकर्ताओं ने दो अलग-अलग प्रकार की शर्करा जंजीरों के उत्पादन को रोकने के लिए विशिष्ट रासायनिक अवरोधकों (inhibitors) का उपयोग किया: वे जो एन-ग्लाइकेन्स (N-glycans) कहलाते हैं और वे जो ओ-ग्लाइकेन्स (O-glycans) कहलाते हैं। जब उन्होंने ओ-ग्लाइकेन मार्ग को बाधित किया, तो कोशिका की सतह पर नई शर्करा की मात्रा काफी कम हो गई। हालांकि, एन-ग्लाइकेन मार्ग को बाधित करने का कोई प्रभाव नहीं पड़ा। इस परिणाम ने संकेत दिया कि पुन: इंजीनियर की गई कोशिकाएं मुख्य रूप से इस नई शर्करा को ओ-लिंक्ड (O-linked) जंजीरों से जोड़ रही थीं, जो अक्सर म्यूसिन्स (mucins) पर पाई जाती हैं—ये वे गाढ़े, सुरक्षात्मक श्लेष्मा जैसे प्रोटीन हैं जो कई ऊतकों को ढंकते हैं।

अधिक विस्तृत चित्र प्राप्त करने के लिए, वैज्ञानिकों ने कोशिकाओं को तोड़कर एक अत्यधिक संवेदनशील मास स्पेक्ट्रोमीटर का उपयोग करके विशिष्ट शर्करा-प्रोटीन संयोजनों का विश्लेषण किया। उन्होंने हजारों प्रोटीनों की पहचान की और मानचित्रित किया कि शर्करा कहाँ जुड़ी हुई थी। अनमॉडिफाइड (अपरिवर्तित) कोशिकाओं में, उन्हें केवल मानक मानव शर्करा मिली। संशोधित कोशिकाओं में, उन्हें कई प्रोटीनों के साथ नई शर्करा मिली, जो ज्यादातर ओ-लिंक्ड जंजीरों पर थी। हालांकि, विश्लेषण में कुछ सबसे अधिक शर्करा-लेपित प्रोटीन छूट गए, जिन्हें म्यूसिन्स कहा जाता है, संभवतः इसलिए क्योंकि प्रोटीन को तोड़ने के लिए उपयोग की जाने वाली मानक विधि इन चिपचिपे, जटिल अणुओं को संभालने के लिए पर्याप्त कोमल नहीं थी। यह पुष्टि करने के लिए कि ये म्यूसिन्स ही नए शर्करा के मुख्य वाहक थे, शोधकर्ताओं ने एक विशेष एंजाइम का उपयोग किया जो विशेष रूप से म्यूसिन्स को लक्षित करता है और उन्हें काटता है। जब उन्होंने इस एंजाइम को लागू किया, तो कोशिका की सतह पर नई शर्करा की मात्रा तेजी से गिर गई, जिससे पुष्टि हुई कि शर्करा काफी हद तक इन म्यूसिन-समृद्ध संरचनाओं पर छिपी हुई थी।

सबसे आश्चर्यजनक खोज तब सामने आई जब शोधकर्ताओं ने संशोधित कोशिकाओं को अपरिवर्तित कोशिकाओं के साथ मिलाया। उन्होंने अपरिवर्तित कोशिकाओं को एक लाल डाई से लेबल किया और उन्हें शर्करा-उत्पादक कोशिकाओं के साथ एक डिश में रखा। कुछ दिनों के बाद, उन्होंने लाल कोशिकाओं की जाँच की और पाया कि उनमें भी अपनी सतह पर नया शर्करा आ गया था। शर्करा किसी तरह संशोधित कोशिकाओं से अपरिवर्तित कोशिकाओं में चली गई थी। शोधकर्ता प्रस्ताव देते हैं कि संशोधित कोशिकाएं शर्करा-लेपित अणुओं को आसपास के तरल पदार्थ में छोड़ देती हैं, जो शायद शर्करा जंजीरों को काटने वाले प्राकृतिक एंजाइमों की क्रिया के माध्यम से होता है। पड़ोसी कोशिकाएं फिर इन अणुओं को अवशोषित करती हैं, शर्करा को पुनर्चक्रित (recycle) करती हैं, और इसे अपनी सतह पर लगा लेती हैं। यह एक "बाइस्टैंडर इफेक्ट" (bystander effect) बनाता है, जहाँ कुछ संशोधित कोशिकाओं की उपस्थिति उनके पड़ोसियों की रासायनिक पहचान को बदल सकती है।

यह खोज इस विचार को चुनौती देती है कि किसी ट्यूमर की सतही रसायन विज्ञान केवल प्रत्येक व्यक्तिगत कोशिका की आनुवंशिक संरचना द्वारा निर्धारित होती है। इसके बजाय, यह सुझाव देती है कि परिवेश स्वयं उस ट्यूमर के भीतर की कोशिकाओं को नया रूप दे सकता है। यदि कैंसर कोशिकाओं का एक छोटा समूह इस विदेशी शर्करा का उत्पादन करना शुरू कर देता है, तो वे संभावित रूप से शेष ट्यूमर में इस गुण को फैला सकते हैं, जिससे एक समान ढाल बन सकती है जो पूरे द्रव्यमान को प्रतिरक्षा प्रणाली से बचने में मदद करती है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि यह तंत्र समझा सकता है कि क्यों कुछ ट्यूमर में इस शर्करा का उच्च स्तर दिखाई देता है, भले ही प्रत्येक कोशिका में इसे उत्पन्न करने के लिए आवश्यक आनुवंशिक उत्परिवर्तन (mutation) न हो। हालांकि यह अध्ययन प्रयोगशाला सेटिंग में किया गया था और अभी तक यह सिद्ध नहीं हुआ है कि मनुष्यों में भी ऐसा ही होता है, फिर भी यह एक स्पष्ट तंत्र प्रदान करता है कि इस तरह का प्रसार कैसे हो सकता है। यह कार्य कैंसर कोशिका की सतह की गतिशील प्रकृति को उजागर करता है, जो यह दर्शाता है कि यह एक स्थिर विशेषता नहीं है बल्कि एक तरल प्रणाली है जो अपने पड़ोसियों को प्रभावित करने और उनसे प्रभावित होने में सक्षम है। यह समझकर कि ये शर्कराएँ कैसे चलती और बदलती हैं, वैज्ञानिक अंततः उन सुरक्षात्मक ढालों को बाधित करने के नए तरीके खोज सकते हैं जो ट्यूमर जीवित रहने के लिए बनाते हैं।